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加工中心的其他装置

时间:2012-07-02 来源: 编辑: 点击:次 字体设置:
一、支撑系统

床身
   
床身是机床的基础件,要求具有足够高的静、动刚度和精度保持性。在满足总体设计要求的前提下,应尽可能做到既要结构合理、筋板布置恰当,又要保证良好的冷、热加工工艺性。
   
车削加工中心床身,为提高其刚性,一般采用斜床身,斜床身可以改善切削加工时的受力情况,截面可以形成封闭的腔形结构,其内部可以充填泥芯和混凝土等阻尼材料,在振动时利用相对磨损来耗散振动能量。
立柱
   
加工中心立柱主要是对主轴箱起到支承作用,满足主轴的 Z
向运动,立柱应具有较好的刚性和热稳定性。加工中心采用封闭的箱形结构,内部采用斜板提高立柱的抗弯、抗扭能力,整个结构采用铸造实现。
导轨
   
加工中心的导轨大都采用直线滚动导轨,滚动导轨摩擦系数很低、动静摩擦系数差别小,低速运动平稳、无爬行,因此可以获得较高的定位精度。但是这些精度的实现,必须建立在底座处于正确状态的基础上,否则垂直方向的支撑高低误差会造成结构侧向扭曲.进而造成全行程内摩擦阻力的变化.导致产生定位精度的误差。以往采用滑动导轨时,导轨的配合面要刮研精修,在装配过程中可发现导轨扭曲现象,并通过修配实现校正。改用滚动导轨,不存在修正过程,很难避免床身扭曲或安装所造成的轨道扭曲.因此采用三点支撑的底座是治木之道。

二、刀库及自动换刀装置

    加工中心利用刀库实现换刀,这是目前加工中心大量使用的换刀方式。由于有了刀库,机床只要一个固定主轴夹持刀具,有利于提高主轴刚度。独立的刀库,大大增加了刀具的储存数量,有利于扩大机床的功能,并能较好地隔离各种影响加工精度的干扰因素。
   
刀库换刀,按照换刀过程有无机械手参与,分成有机械手换刀和无机械手换刀两种情况在有机械手换刀的过程中,使用一个机械手将加工完毕的刀具从主轴中拔出,与此同时,另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出,然后两者交换位置完成换刀过程。无机械手换刀时,刀库中刀具存放方向与主轴平行,刀具放在主轴可到达位置换刀时,主轴箱移到刀库换刀位置上方,利用主轴Z向运动将加工用毕刀具插人刀库中要求的空位处,然后刀库中待换刀具转到待命位置.主轴 Z
向运动将待用刀具从刀库中取出,并将刀具插人主轴。有机械手的系统在刀库配置、与主轴的相对位置及刀具数量上都比较灵活,换刀时间短。无机械手方式结构简单,只是换刀时间要长。
加工中心刀库形式
   
刀库有多种形式,加工中心常用的有盘式、链式两种刀库。
   
盘式结构〔见图2-9)中,刀具可以沿主轴轴向、径向、斜向安放,刀具轴向安装的结构最为紧凑.但为了换刀时刀具与主轴同向,有的刀库中的刀具需在换刀位置作 900 翻转。在刀库容量较大时,为在存取方便的同时保持结构紧凑,可采取弹仓式结构,目前大量的刀库安装在机床立柱的顶面或侧面。在刀库容量较大时,也有安装在单独的地基上,以隔离刀库转动造成的振动,

链式刀库的基本结构如图210所示,通常刀具容量比盘式的要大,结构也比较灵活。可以采用加长链带方式加大刀库的容量,也可采用链带折叠回绕的力式提高空间利用率,在要求刀具容量很大时还可以采用多条链带结构。

加工中心的自动换刀装置
   
自动换刀装置可分为五种基本形式,即转塔式、 1800
回转式、回转插人式、二轴转动式和主轴直接式。自动换刀的刀具可靠固紧在专用刀夹内,每次换刀时将刀夹直接装人主轴。
1) 
转塔式换刀装置
   
用转塔实现换刀是最早的自动换刀方式。如图211
所示,转塔是由若干与铣床动力头(主轴箱)相连接的主轴组成.在运行程序之前将刀具分别装人主轴,需要哪把刀具时,转塔就转到相应的位置。
   
这种装置的缺点是主轴的数量受到限制。要使用数量多于主轴数的刀具时,操作者必须卸下已用过的刀具,并装上后续程序所需要的刀具。转塔式换刀并不是拆卸刀具,而是将刀具和刀夹一起换下,所以这种换刀方式很快。目前NC
钻床等还在使用转塔式刀库。
21800
回转式换刀装置
   
最简单的换刀装置是1800回转式换刀装置,如图212所示。接到换刀指令后,机床控制系统便将主轴控制到指定换刀位置;与此同时,刀具库运动到适当位置,换刀装置回转并同时与主轴、刀具库的刀具相配合;拉杆从主轴刀具上卸掉,换刀装置将刀具从各自的位置上取下;

换刀装置回转1800并将主轴刀具与刀具库刀具带走;换刀装置回转的同时,刀具库重新调整其位置,以接受从主轴取下的刀具;接下来,换刀装置将要换上的刀具与卸下的刀具分别装人主轴和刀具库;最后,换刀装置转回原“待命”位置。至此,换刀完成,程序继续运行。这种换刀装置的主要优点是结构简单、涉及的运动少、换刀快。主要缺点是刀具必须存放在与主轴平行的平面内,与侧置后置刀具库相比,切屑及切削液易进人刀夹,因此必须对刀具另加防护。刀夹锥面上有切屑会造成换刀误差,甚至有损坏刀夹与主轴的可能。有些加工中心使用了传递杆,并将刀具库侧置。当换刀指令被调用时,传递杆将刀具库的刀具取下,转到机床前方,并定位于与换刀装置配合的位置。1800回转式换刀装置既可用于卧式机床,也可用于立式机床。
1) 
回转插人式换刀装置
   
回转插人式换刀装置(最常用的形式之一),是回转式换刀装置的改进形式。回转插人机构是换刀装置与传递杆的组合。图 213 为回转插人式换刀装置的工作原理,其应用在卧式加工中心上。这种换刀装置的结构设计与1800回转式换刀装置基本相同。

当接到换刀指令时,主轴移至换刀点,刀具库转到适当位置,使换刀装置从其槽内取出欲换上的刀具;换刀装置转动并从位于机床一侧的刀具库中取出刀具,换刀装置回转至机床的前方,在该位置将主轴上的刀具取下,回转1800将欲换上的刀具装人主轴;与此同时,刀具库移至适当位置以接受从主轴取下的刀具;换刀装置转到机床的一侧,并将从主轴取下的刀具放入刀具库的槽内。
这种装置的主要优点是刀具存放在机床的一侧,避免了切屑造成主轴或刀夹损坏的可能性。与 1800
回转式换刀装置相比,其缺点是换刀过程中的动作多,换刀所用的时间长。
1) 
二轴转动式换刀装置
   
214所示是二轴转动式换刀装置的工作原理。这种换刀装置可用于侧置或后置式刀具库,其结构特点最适用于立式加工中心。

接到换刀指令,换刀机构从“等待”位置开始运动,夹紧主轴上的刀具并将其取下,转至刀具库,并将刀具放回刀具库;从刀具库中取出欲换上的刀具,转向主轴,并将刀具装人主轴;然后返回“等待”位置,换刀完成。
   
这种装置的主要优点是刀具库位于机床一侧或后方,能最大限度地保护刀具。其缺点是刀具的传递次数及运动较多。这种装置在立式加工中心中的应用已逐渐被 1800 回转式和主轴直接式换刀装置所取代。
1) 
主轴直接式换刀装置
   
主轴直接式换刀装置不同于其他形式的换刀装置。这种装置中,要么刀具库直接移到主轴位置,要么主轴直接移至刀具库。

215为主轴直接式换刀装置在卧式加工中心中的应用。换刀时,主轴移动到换刀位置,圆盘式刀具库转至所需刀槽的位置,将刀具从“等待”位置移出至换刀位置,并与装在主轴内的刀夹配合;拉杆从刀夹中退出,刀具库前移,卸下刀具;然后刀具库转到所需刀具对准主轴的位置,向后运动,将刀具插入主轴并固紧;最后,刀具库离开主轴向上移动,回到“等待”位置,换刀完成。

对于立式加工中心,小型的一般是刀库移动实现换刀;一些大型床,换刀过程与上述有所不同,由于大型机床的刀具库太大,移动不方便,所以是主轴移动实现卸、装刀具,或使用机械手实现换刀。图216所示为机械手臂和手爪的结构,图217为机械手换刀的工作过程。

三、位置检测装置

光栅
   
光栅的结构 光栅测量装置包括光标尺和光电读数装置两部分。光标尺是一条上面刻有一系列平行等间距密集刻线的透明玻璃片,或是带有全反射等间距密集刻线的长条形金属镜面。前者称为透射式光栅,后者称为反射式光栅。在数控系统中用得比较多的是透射式光栅。常用透射光栅的光标尺的刻线密度有25/mm50/mm100/mm250/mm4种。光标尺实际上是一根有着很密刻线的尺子,每根刻线的间隔代表一个准确的微小尺寸。光电读数装置由光源、聚光镜、指示光栅和光电池组成,如图218
所示。
   
光栅的读数理论上,用光栅测量位移时,只要数出测量对象上某一个确定点相对于光栅移过的刻线即可。实际上,由于刻线过密,直接对刻线计数很困难,因而目前利用光栅的莫尔条纹或相位干涉条纹进行计数。
   
219所示为莫尔条纹光栅,此时指示光栅的刻线与光标尺的刻线完全一样,是等距的。安装时光标尺的刻线与指示光栅的刻线有一夹角(图中的θ) ,这样在光标尺的横向方向就产生黑白相间的莫尔干涉条纹。

莫尔条当指示光栅相对于光标尺移动时,莫尔条纹沿其垂直方向上、下移动。移过的莫尔条纹数等于移过的光栅的刻线数。沿着莫尔条纹的移动方向放置四杜光电池,其间距为莫尔条纹的1/4,这样就可产生相位差为90。的四个信号。通过细分和辨向电路将这些信号进行处理.即可检测位移量及运动方向。
   
220所示是反射式相位干涉条纹。主光栅与指示光栅的刻线宽度札同,但刻线的距离不相等。若以主光栅的刻线为基准,指示光栅的四条刻结依次错开0090018002700光电池为水平方向排列,当指示光栅相刘于主光栅移动时,光电池各瞬间接受的光通量就不同,产生的电势相位彼此错开900
。这些信号经过细分和辨向电路的处理,即可测知移动量和移动丈向。因为指示光栅的刻线是按相位排列的,故称这种光栅为相位光栅。
磁栅的结构和工作原理
   
磁栅(又称磁尺)也是一种电磁监测装置。它利用磁记录原理,将一定波长的矩形波或正弦波由信号用磁头记录在磁性标尺的磁膜上,作为测量基准。检测时,磁头将磁性标尺上的磁化信号转化为电信号,并通过检测电路将磁头相对于磁性标尺的位置或位移量用数字显示出来或转化为控制信号输人给数控机床
   
磁栅传感器由磁胜标尺、磁头和检测电路三部分组成,其结构原理如图2-21所示。磁性标尺是在不导磁材料(如玻璃、铜或其他合成材料)的基体上,采用涂敷、化学沉淀或电镀等方法覆盖上一层1020
产贝厚的磁性材料,形成一层均匀的磁性薄膜,然后采用录磁的方法在磁胜薄膜上录上等
   
磁栅的结构和工作原理
   
磁栅(又称磁尺)也是一种电磁监测装置。它利用磁记录原理,将一定波长的矩形波或正弦波由信号用磁头记录在磁性标尺的磁膜上,作为测量基准。检测时,磁头将磁性标尺上的磁化信号转化为电信号,并通过检测电路将磁头相对于磁性标尺的位置或位移量用数字显示出来或转化为控制信号输人给数控机床。
   
磁栅传感器由磁胜标尺、磁头和检测电路三部分组成,其结构原理如图2-21所示。磁性标尺是在不导磁材料(如玻璃、铜或其他合成材料)的基体上,采用涂敷、化学沉淀或电镀等方法覆盖上一层1020
产贝厚的磁性材料,形成一层均匀的磁性薄膜,然后采用录磁的方法在磁胜薄膜上录上等
   
磁栅的结构和工作原理
   
磁栅(又称磁尺)也是一种电磁监测装置。它利用磁记录原理,将一定波长的矩形波或正弦波由信号用磁头记录在磁性标尺的磁膜上,作为测量基准。检测时,磁头将磁性标尺上的磁化信号转化为电信号,并通过检测电路将磁头相对于磁性标尺的位置或位移量用数字显示出来或转化为控制信号输人给数控机床。
   
磁栅传感器由磁胜标尺、磁头和检测电路三部分组成,其结构原理如图2-21所示。磁性标尺是在不导磁材料(如玻璃、铜或其他合成材料)的基体上,采用涂敷、化学沉淀或电镀等方法覆盖上一层1020产贝厚的磁性材料,形成一层均匀的磁性薄膜,然后采用录磁的方法在磁胜薄膜上录上等

磁栅的结构和工作原理
   
磁栅(又称磁尺)也是一种电磁监测装置。它利用磁记录原理,将一定波长的矩形波或正弦波由信号用磁头记录在磁性标尺的磁膜上,作为测量基准。检测时,磁头将磁性标尺上的磁化信号转化为电信号,并通过检测电路将磁头相对于磁性标尺的位置或位移量用数字显示出来或转化为控制信号输人给数控机床。
   
磁栅传感器由磁胜标尺、磁头和检测电路三部分组成,其结构原理如图2-21所示。磁性标尺是在不导磁材料(如玻璃、铜或其他合成材料)的基体上,采用涂敷、化学沉淀或电镀等方法覆盖上一层1020产贝厚的磁性材料,形成一层均匀的磁性薄膜,然后采用录磁的方法在磁胜薄膜上录上等距离的周期性的磁化信号。

磁化信号的周期称为节距人,有0.05mm0.1mm0.2mm1mm等几种,按磁性标尺基体形状的不同,磁性标尺可分为用于直线测量的平面实体性磁尺、带状或同轴线装标尺,用于角度位移测量的回转型磁性标尺。
   
磁头是进行磁一电转换的转换器,磁头将反映位置变化的磁性信号检测出来,并转换成电信号送给检测电路。
   
在进行位置检测时,为了在低速甚至静止时也能得到位置信号,必须采用磁通响应型磁头(又叫磁调制式磁头)。磁通响应型磁头由铁芯、励磁绕组W1、输出绕组巩组成。磁通响应型磁头的结构及其输出波形如图2-22所示。

磁通响应型磁头有两组绕组,即绕在磁路截面尺寸较小的横臂上的励磁绕组W1和绕在磁路截面尺寸较大的竖杆上的输出绕组W2当对W1施加励磁电流ia=i0sinωt时,在ia的瞬时值大于某一个数值以后,横臂的铁心材料饱和,这时磁阻很大,磁路被阻断,磁性标尺的磁通不能通过磁头闭合,输出线圈W1φ0不交链,当ia的的瞬时值小于某一个数值时,所感生的磁通也随之降低,两根横臂中的磁阻相应减小,磁路开路。输出线圈W2φ0串联。励磁线圈的作用相当于磁开关,励磁电流在一个周期内两次过零,两次出现峰值,相应磁开关通断各两次。磁路由通到断的时间内,输出线圈中交链的磁通量由φ0降到零,磁路由断到通的时间内,输出线圈中交链的磁通量由零增加到φ0,因此输出线圈中有感生电动势E出现,并且感生电动势的频率比励磁电流高一倍,在励磁电流频率ω0 已经确定的情况下,其峰值取决于Ф0,也即取决于磁性标尺在该点的磁感应强度。因此输出线圈中输出的是一个调幅信号。磁栅的检测方法有鉴幅法和鉴相法两种,在数控机床中通常使用鉴相法。设磁栅工作丁鉴相法,将两组磁头的输出信号相加,得到磁栅总的输出,计算出调制信号θ,根据调制信号,得到对应的位移x的大小。
光电式增量编码器
   
编码器是数控机床中常用的角度检测装置,常与伺服电动机或丝杠同轴安装,以检测伺服电动机或丝杠的转角。按编码器的不同读数方法,可分为绝对编码器和增量编码器两种.按其工作原理不同,可分为接触式、光电式和电磁式等几种。

   223是一种光电式增量编码器的结构示意。工作时,玻璃刻线盘3随被测轴一同回转,刻线盘3上均匀地刻有许多径向直线,刻线的宽度和两根刻线之间的间隔宽度基本相同,刻线是不透明的。扫描刻线板4上沿着径向有4个小的刻线区,每个小刻线区内的情况与刻线盘3相同。每个小刻线区之间错开1/2刻线宽度,即1/4刻线周期。光源1发出的光线经过柱面透镜2投射到刻线盘3上,当刻线盘3上的刻线正好转到与扫描刻线板4上的间隙相对时,光线被全部遮住,没有光线投射到光电池5上。从此位置,刻线盘再转过半个刻线周期,则刻线盘3上的刻线正好大。当刻线盘转动时,投射到光电池上的光线将产生明暗交替的变化,相应光电池的输出信号也将产生强、弱交替的变化。由于4个小刻线区顺序错开1/4刻线周期,所以4个光电池的输出信号也顺序滞后1/4周期。其变化规律与光栅输出信号相同,所以可将4个输出信号进行与光栅输出信号同样的方法进行处理。
   
为了得到转轴的转数,在刻线盘和扫描刻线板上再加刻一个刻线清况相同的参考标志刻线区。此刻线区可以是一根粗线,也可以是一组细线。转轴旋转一圈,它发出一个脉冲信号,可用来计数轴转过的圈数。

将上述编码器称为增量编码器是因为它的输出不能反映转轴的绝对位置,只能反映两次读数之间转轴角位移的增量。由光栅读数方法的叙述中,不难理解这种编码器的最小可分辨角度(又称测量步幅)是两个方波系列相邻的两个前沿或后沿之间所对应的角度,即 1 / 4 刻线周期。例如,刻线盘的刻线数为900。配合电子四等分电路,则其测量步幅是3600/4×900,如果刻线数再提高,细分程度再增加,则测量步幅可进一步减小。
电式绝对编码器
   
光电式绝对编码器的结构与光电式增量编码器相似,所不同的是在玻璃刻线盘3(又称码盘)上的刻线不是径向直线,而是许多同心码道,如图2-24所示。码道上刻有按一定规律分布的透明区和不透明区。扫描刻线板4上没有小刻线组而是有一条径向狭缝。光电池 5 的排列与4上的狭缝平行对齐且与码道一一对应。光源发出的光经过柱面镜2聚光后投射到码盘3上,通过透明区的光线经过狭缝形成一束很窄的光束投射到光电池5上。此处所说的码盘称为光电式绝对编码盘。光电式绝对编码盘按其码制可分为二进制码、循环码、十进制码、进制码等。

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